Comunicación presentada al V Congreso Smart Grids
Autores
- Carlos Rivas Pereda, Responsable de I+D+i, ELINSA
- Oriol Sarmiento Diez, Responsable de Comunicación, ELINSA
Resumen
La electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica en amplitud y frecuencia adaptando los parámetros eléctricos a cada aplicación de uso mediante el empleo de convertidores electrónicos. Su aplicación en Smart Grids, planteadas desde un diseño modular, ofrece múltiples ventajas gracias a una tecnología consolidada. La generación con renovables dificulta la estabilidad de la red y las redes nacionales establecen normas que definen el modo de conectar las instalaciones para garantizar la estabilidad. La electrónica de potencia permite el aprovechamiento de las renovables e integra los sistemas de almacenamiento en la Smart Grid, mejora la calidad de la energía generada y su confiabilidad, facilita su transporte y asegura el cumplimiento de los códigos de red. Por otro lado, la complejidad de los sistemas hace necesarios sistemas de control cada vez más complejos y eficientes.
Palabras clave
Electrónica de Potencia, Smart Grid, Renovables, Almacenamiento, Estabilidad de Red
Introducción
La creación de las primeras válvulas de vacío, a principios del siglo XX, es el hito que sitúa el inicio de la electrónica de potencia. A mediados de siglo da un salto importante con la aparición de los semiconductores: transistores y tiristores fiables. Se crean entonces las primeras aplicaciones de electrónica de potencia. Se fabrican los primeros convertidores para control de velocidad de motores de corriente continua, regulación de potencia en cargas resistivas, etc., todo ello para aplicaciones industriales.
Ya en el siglo XXI la electrónica de potencia se convierte en una tecnología estratégica, aplicada al sistema de procesamiento de la energía eléctrica en sectores como la industria, la energía y el transporte.
Con la aparición y progresiva consolidación de las tecnologías de generación con energías renovables y el almacenamiento, la electrónica de potencia se convierte en pieza clave para la transición energética.
Electrónica de potencia, tecnología para un futuro sostenible
La electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica en amplitud y frecuencia adaptando los parámetros eléctricos a cada aplicación de uso mediante el empleo de semiconductores.
También tiene un papel clave en la minimización de las pérdidas de potencia en un equipo eléctrico de consumo, además de realizar el control del equipo en un sistema industrial.
Las acciones a las que contribuye para minimiza las pérdidas de potencia de un equipo eléctrico son varias:
- Optimiza las instalaciones.
- Receptores con mejor rendimiento y máquinas mejor ajustadas.
- Revisa procesos y análisis de alternativas: arranques suaves, frenado regenerativo, no estrangulamientos, regulación de velocidad, etc.
- Aumenta el factor de potencia.
- Vigila temperaturas y conexiones.
- Reduce distorsiones y desequilibrios.
Y se consiguen importantes ahorros en:
- Regulación de velocidad de motores eléctricos, de hasta un 30%.
- Eficiencia en motores, de hasta un 8%
- Modificación de la curva de carga.
- Iluminación eficiente, de hasta un 40%.
La aparición de dispositivos de electrónica de potencia de nueva generación (SiC), (GaN) y de sistemas electrónicos de control cada vez más potentes, están permitiendo la creación de convertidores electrónicos de potencia de media frecuencia más eficientes energéticamente con un ahorro importante en materias primas.
En la actualidad, transformadores de corriente basados en electrónica de potencia de media frecuencia, son capaces de reducir la necesidad de materias primas a una décima parte, reduciendo perdidas de potencia de manera considerable. Hoy en día, un transformador puede pesar una décima parte y reducir de manera considerable su volumen, con un ahorro importante en materias primas como hierro y cobre.
El salto tecnológico que se está produciendo en la electrónica de potencia es disruptivo y ofrece una oportunidad de mejora en todo lo relacionado con gestión energética eficiente. La electrónica de potencia se hace imprescindible para la eficiencia en el uso de los recursos materiales y energéticos, y para la sostenibilidad. Además, plantea desafíos que obligan a ingenieros y empresas a prepararse para el cambio de la transición energética.
Necesidades de la smart grid
Con la aparición y progresiva implantación de energías renovables como la energía solar fotovoltaica, la energía eólica y otras fuentes de energía, se hace necesaria la electrónica de potencia para adaptar los parámetros eléctricos de la energía generada a los parámetros eléctricos exigidos por la red eléctrica.
La gestión energética de los recursos renovables y la eficiencia del transporte de la energía eléctrica, necesitan también de un importante desarrollo de aplicaciones de almacenamiento de energía.
El almacenamiento de energía permite el uso de renovables de manera eficiente y también el desarrollo de la Smart Grid, posibilitando el suministro energético a cualquier consumidor y en cualquier lugar, incluso dónde no hay acceso a las redes de suministro energético.
En las redes inteligentes aparece la figura del “prosumer”, generador y consumidor de manera simultanea. Se reduce la necesidad de trasporte de la energía y en general se reducen las pérdidas, en generación, en distribución y en consumo de la energía.
El diseño de las redes inteligentes incluye sistemas de generación de energía, su distribución y su control. Sus exigencias de eficiencia y control son muy superiores a las de las redes convencionales.
Planteamiento modular de la smart grid
Las redes inteligentes tienen el hándicap de ser normalmente costosas, poco flexibles y con un mantenimiento costoso. Abordar soluciones desde una perspectiva modular minimiza la parte de diseño e ingeniería y simplifica las operaciones de fabricación, transporte, instalación, puesta en marcha y mantenimiento.
Una red modular se compone de equipos estándar adaptados de generación y almacenamiento energético que se añaden hasta conseguir la potencia requerida de cada tecnología. En función de las necesidades variables del consumidor y del recurso energético disponible, se diseña y se modifica la Smart Grid, agregando o restando equipos.
En un diseño modular es necesario tener en cuenta:
- Módulos de generación de energía, que funcionen según la demanda, y la electrónica de potencia asociada.
- Módulos de almacenamiento de energía que permitan maximizar la generación mediante renovables y dan estabilidad a la red, y a la electrónica de potencia asociada.
- Desarrollo de sistemas de control y sus algoritmos, desde un diseño escalable, en previsión de futuras modificaciones.
Desarrollo de sistemas de control para smart grid
Los sistemas de control, cada vez más potentes, permiten hacer que los elementos de la red formen parte de una inteligencia “Smart”. Estos sistemas son:
- Sistemas de control supervisor: con capacidad para adaptar cada uno de los equipos que forman la red a un régimen energético que, dependiendo de la aplicación, podrán ser generadores prioritarios, generadores auxiliares o de respaldo, sistemas tipo SAI, etc.
- Sistemas fotovoltaicos inteligentes: con capacidad para aportar la energía en todo el rango de potencia, desde cero hasta la máxima potencia del recurso solar, de forma inteligente, en función de lo demandado por el sistema de control central. Se trata de una concepción totalmente innovadora, con algoritmos de control inteligente MPPT y estrategias de Multi-Backtracking+ integradas en el sistema.
- Sistemas de control inteligente para aplicaciones eólicas: con capacidad para aportar la energía en todo el rango de potencia, desde cero hasta la máxima potencia del recurso eólico, de forma inteligente, en función de lo demandado por el sistema de control central. Se basan en una concepción totalmente innovadora, con algoritmos de control inteligente MPPT y optimizando su gestión energética de cara a la red.
- Sistemas de almacenamiento de baterías inteligente: con capacidad para funcionar Off-Grid, con cambio en caliente maestro-esclavo y G-BMS integrado dentro de la estrategia energética. El sistema es capaz de almacenar energía y devolverla equilibrando el flujo energético de la red. Una de las características diferenciadoras de este sistema desarrollado, es que permite la conexión un sistema de cuatro hilos activos lo que permite atender cargas monofásicas y/o trifásicas desequilibradas. Al mismo tiempo que es “maestro de red”, puede pasar a “esclavo de red” en caliente si entra un grupo electrógeno o turbina de gas, dependiendo su control del sistema de gestión central.
Electrónica de potencia aplicada a la smart grid
La aplicación de la electrónica de potencia en Smart Grids ofrece múltiples ventajas gracias a una tecnología consolidada. La electrónica de potencia permite el aprovechamiento de las renovables e integra los sistemas de almacenamiento en la Smart Grid, mejora la calidad de la energía generada y su confiabilidad, facilita su transporte y asegura el cumplimiento de los códigos de red.
La Smart Grid necesita diferentes equipos basados en electrónica de potencia:
- Inversores fotovoltaicos.
- Convertidor para sistemas de baterías.
- Convertidor “Back To Back” para aerogeneradores eólicos.
Es importante tener en cuenta que la electrónica de potencia requiere la utilización de componentes más “sensibles” como son los semiconductores de potencia, tarjetas electrónicas, diferentes tipos de inductivos y capacitivos, etc. Es necesario también prestar atención especial en la fabricación desde el punto de vista EMI y EMC y a la gestión térmica. En los convertidores que se fabrican hoy en día esto es, si cabe, más importante todavía, pues se exige una integración a todos los niveles con el sistema al que pertenecen.
Experiencias reales
Esta comunicación se basa en la experiencia real de los autores con la participación, como ingenieros de la empresa ELINSA, en dos proyectos relacionados con Smart Grid.
El primero de ellos es el proyecto “Energy Storage System”. Consiste en la fabricación de un contenedor con los equipos necesarios para el funcionamiento de una Smart Grid, incluidos aquellos relacionados con la electrónica de potencia, como inversores y convertidores, y con el almacenamiento energético, como baterías.
Por otra parte, han participado en el proyecto OG+, perteneciente a una convocatoria FEDER INNTERCONECTA. Es un consorcio formado por las empresas NORVENTO, GENESAL ENERGY, ISOTROL y ELINSA para desarrollar una red de generación distribuida Off-Grid y modular, que actualmente está en funcionamiento en Lugo (España). La participación de ELINSA en este proyecto alcanza el diseño de los sistemas de control de esta red de energía aislada y la fabricación de los equipos necesarios: un inversor fotovoltaico de 50 kW, un convertidor para conexión de baterías de 100 kW (convertidor de 4 hilos 3P+N con sistema de equilibrado de cargas sin transformador), un convertidor “Back To Back” para un aerogenerador eólico de 100 kW y el ensamblaje de un stack de baterías con GBMS.
Conclusiones
La electrónica de potencia permite el aprovechamiento de las renovables e integra los sistemas de almacenamiento en la Smart Grid, mejora la calidad de la energía generada y su confiabilidad, facilita su transporte y asegura el cumplimiento de los códigos de red. Las soluciones modulares permiten desarrollar redes más económicas, más flexibles y con un menor coste de mantenimiento.
El diseño de la Smart Grid incluye sistemas de generación de energía, su distribución y su control. Sus exigencias de eficiencia y control son muy superiores a las de las redes convencionales. La innovación en soluciones cada vez más eficientes de electrónica de potencia y diseño de los sistemas de control de la red es imprescindible para un óptimo el desarrollo de la Smart Grid.